压缩空气动力汽车的应用前景展望

伍赛特

上海汽车集团股份有限公司

引言

近年来，由于石油资源日渐消耗殆尽，环境污染日趋严重，国家开始大力发展新能源汽车[1-2]。除广为人知的电动汽车、生物燃料汽车、氢燃料汽车外，压缩空气动力汽车目前也逐渐进入人们的视野。

1 压缩空气动力汽车

压缩空气动力汽车是利用高压空气作为动力源，将压缩空气储存的压力能转换为机械能，从而驱动汽车运行的一类新能源汽车。

压缩空气动力汽车的工作原理与传统汽车基本类似，为其提供动力来源的压缩空气动力发动机总体结构形式依然借鉴传统汽车的结构模式[3]，主要包括往复活塞式，旋转活塞等形式[4]。其动力分配形式可包括串联式、并联式及串并联混合方式。

2 压缩空气动力发动机

压缩空气动力发动机（气动发动机）是气动汽车的核心部件，减压到工作压力的高压空气进入气动发动机气缸内膨胀做功，因此其基本结构接近于传统内燃机，其包括机体、气缸、活塞、连杆、曲轴及配气机构等部分。气动发动机的工作循环为简单的两冲程，即高压压缩空气进入气缸膨胀做功冲程与膨胀后低压气体排出气缸的排气冲程。气动发动机的工作特性为起动及低速时的扭矩较高，随发动机转速升高其输出扭矩逐渐减小[5]，耗气量则逐渐增大。通常情况下进气阀打开后，气动发动机即可投入运转并输出最大扭矩[6-7]，直接驱动汽车起动行驶。

3 压缩空气动力汽车的特点

压缩空气动力汽车的主要特点如下：

（1）无污染排放；

（2）结构简单、质量轻、低维护，无需冷却系统，成本低廉；

（3）压缩空气的压力随着行驶里程的延续而衰减；

（4）压缩空气压力可达30 Mpa，存在着高压气体的安全性问题。

4 压缩空气动力汽车的历史及发展

1938年，法国AMDRAUD制造成功利用压缩空气驱动的三轮车。

1982年，美国飞机机械师塔瑞·米勒将四缸发动机的欧宝汽车改装为压缩空气动力汽车，其最高时速可达50km/h，一次续航里程可达30km。

1991年，法国设计师Guy Negre获得了压缩空气动力发动机的专利，并创建了MDI公司[8]。

1997年，美国华盛顿大学研制了第一台以液氮作为动力的气动原型汽车[9]。

1998年，法国MDI公司推出了第一台压缩空气动力汽车的样车，其续航里程可达200km，最大时速可达100km/h[10]。

1999年年底，中国浙江大学气动汽车课题组成立，并于2003年春节前夕完成样车制造及试验。

2007年5月，印度塔塔汽车公司研制出一款City Cat空气动力汽车，其最高时速可达109km/h。

2009年，法国MDI公司研发成功三人座的三轮空气动力汽车，并采用玻璃纤维等质量较轻、有一定强度的材料制作，其全重仅220kg，最高时速可达70km/h，行驶里程可达220km。

2012年5月30日，中国祥天集团研发的空气动力客车亮相于第十五届北京科技产业博览会，该车车速可达140km/h，续航里程可达200km，储气罐容量可达2000L。

2013年法国标致雪铁龙公司在日内瓦车展及上海车展上推出一款全新的压缩空气混合动力汽车，名为hybird air。

5 压缩空气动力汽车的应用前景展望

气动发动机由于内部无燃烧过程，其机体并不承受高温及高压，因此无需专门设置冷却系统，整机结构简易、质量轻小，有效降低了其制造及维护成本。同时其扭矩特性较为优越，具备低速高扭矩的特点，可直接启动。相较于传统内燃机汽车“化学能→热能→机械能”的能量转换过程，压缩空气动力汽车由于无需经过燃烧过程，通过储存的压缩空气压力势能经气动发动机转换即可输出机械能[11]，其能量损失比传统内燃机更小，整车效率较高，更具节能效益。而经气动发动机做功后的空气温度较低，成分亦较为简单，不存在诸如NOx、HC、PM等多种污染物质，其环保方面优势十分明显[12]。

相比于电动汽车，压缩空气动力汽车在效率方面并不占据优势，但电动汽车自身固有的较高成本及充电时间较长等问题一定程度上限制了其应用。 通常而言，即使不考虑更换储气罐的方式，压缩空气动力汽车补充压缩空气的时间通常也要短于电动汽车的充电过程。尽管该两类新能源汽车均不产生排放，但电动汽车的蓄电池等装置在废弃后较难处理，如直接填埋，其化学成分会对水体、土壤等造成较为严重的污染[13]。反观压缩空气动力汽车则无污染之虞，且其气罐等设备可多次重复利用。

压缩空气动力汽车在节能与环保方面的优势可谓独树一帜，既不产生排放，同时又有着较高的能量转换效率，还可以多次循环使用，废弃后也不会对环境产生负面影响，可谓是一类充满前景的新能源汽车。

6 推广压缩空气动力汽车的主要问题

（1）压缩空气动力汽车自身的劣势也同样明显，压缩空气的储存压力可达30Mpa及以上，对储气罐的尺寸规格参数要求也较高，同时对压缩空气的储存及携带远不如传统的石油类燃料简易、便捷。

（2）车辆自身的安全性是一大重要指标，在如此高的储气压力下，一旦储气罐发生物理性爆炸，后果不堪设想。

（3）目前的压缩空气动力汽车的续航里程和动力性能均较有限，无法与传统的内燃机汽车相提并论。而压缩空气的储气压力随着车辆的行驶里程的延伸而逐渐衰减，伴随着不可避免的漏气现象，显著影响其动力性能。

（4）就基建设施方面而言，目前国内提供压缩空气的加气站尚未得以普及，一定程度上限制了该新能源车型的大范围推广。

7 结论

压缩空气动力汽车有着清洁、高效、成本较低、扭矩特性优异、可重复利用的显著优势，但同时也存在动力性较低、续航里程有限、安全性较低、存在漏气现象、相关基建设施仍未普及等一系列缺陷。但不可否认，随着石油资源的日渐减少及环境要求的提高，压缩空气动力汽车必将在公路运输领域日渐崭露头角。